《现代通信系统新技术》课件第4章卫星导航与定位.pptx

1、第四章第四章 卫星导航与定位卫星导航与定位4.1 GPS概述概述4.2 GPS的定位的定位原理原理4.3 GPS信号信号接收机接收机4.4 GPS现代化现代化4.5 GLONASS系统系统4.6 Galileo系统系统4.7 北斗卫星北斗卫星系统系统4.8 卫星导航定位系统的应用卫星导航定位系统的应用4.1 GPS概述概述4.1.1 GPS的基本概念的基本概念 全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是美国从20世纪70年代开始研制的新一代卫星导航与定位系统，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空

2、进行全方位实时三维导航与定位的能力。GPS为民用导航、测速、时间比和大地测量、工程勘测、地壳勘测等众多领域开辟了广阔的应用前景，它已成为当今世界上最实用也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。GPS的应用特点应用特点是用途广泛(可在海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、动态观测、设备安装、传递时间、速度测量等方面得到广泛应用)、自动化程度高、观测速度快、定位精度高及经济效益高。GPS定位技术比常规手段具有明显的优势。它是一种被动系统，可为无限多个用户使用，且信用度和抗干扰能力强，因此必然会取代常规测量手段。GPS定位技术的精度不仅已能与另外两种精密空间定位技术卫星激光测距(SLR)和甚

3、长基线干涉(VLB)测量系统相媲美，而且由于GPS接收机轻巧方便、价格较低、时空密集度高，因此更能显示出GPS定位技术优越的特点和更广泛的应用前途。4.1.2 GPS的组成及作用的组成及作用 GPS包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。1GPS工作卫星及其星座工作卫星及其星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作(21+3)GPS卫星。如图所示，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55，各个轨道平面之间相距60，每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90，每个轨道平面上的卫星比其西边相邻轨道平面上的相应卫

4、星超前30。当地球相对恒星自转一周时，在两万千米高空的GPS卫星则绕地球运行两周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少见到4颗，最多可以见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了解观测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，有可能不能测得精确的定位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验

5、卫星的基本相同。其编号方法有：按发射先后次序编号、按PRN(卫星所采用的伪随机噪声码)的不同编码、NASA编码(美航空航天局对GPS卫星的编号)、国际编号(第一部分为该星发射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母A表示发射的有效负荷)、按轨道位置顺序编号等。在GPS系统中，GPS卫星的作用如下。(1)用L波段的两个无线载波(19 cm和24 cm波)接连不断地向广大用户发送导航定位信号。每个载波用导航信息D(t)和伪随机码(PRN)测距信号来进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫C/A码(又叫S码)，精密测距码(用于精密定位)叫P码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工

6、作情况。(2)在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站使用S波段(10 cm波段)发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路适时地发送给广大用户。(3)接收地面主控站通过注入站发送调度命令到卫星，并适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。GPS卫星的核心部件核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机，而GPS定位成功的关键关键在于高稳定度的频率标准高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高度精确的时钟提供，因为10-9 s的时间误差将会引起30 cm的站星距误差，所以每个GPS工作星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟(其频

7、率稳定度优于10-14)。GPS卫星虽然会发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号(其频率为10.23 GHz)，所以只需要启用一台原子钟，其余则作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转发给用户设备。2地面监控系统地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。其中，星的位置是依据卫星发射的星历(描述卫星运动及其轨道的参数)算得的，而每颗GPS卫星所播发的星历又是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制；地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GP

8、S时询系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，再通过导航电文发给用户设备。监控站监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精密测定。它的主要设备包括1台双频接收机、1台高精度原子钟、1台电子计算机和若干台环境数据传感器。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站主控站设在美国本土科罗拉多，其任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，然后编算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，并将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星；另外

9、，也负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入站给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。三个注入站分别设在大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰，任务是将主控站发来的导航电文注入相应卫星的存储器中，每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站以外，还在夏威夷设立了一个监测站。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。每个监测站每6分钟均用GPS信号接收机对每颗可见卫星进行一次伪距测量和积分多普勒观测、采集气象要素等数据；在主控站的遥控下监测站还会自动采集定

10、轨数据并进行各项更正，然后每15分钟平滑一次观测数据，并依次推算出每2分钟间隔的观测值，最后将数据发送给主控站。主控站是整个系统的核心，它为系统提供高精度稳定的时空框架，具体作用如下：(1)采集数据、推算编制导航电文采集数据、推算编制导航电文。主控站通过大型电子计算机采集监测站的伪距测量值和积分多普勒观测值、气象参数、卫星时钟、卫星工作状态参数、各监测站工作状态参数等所有观测资料，然后根据采集的数据推算各卫星的星历、卫星钟差改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑成导航电文，传送到注入站。(2)确定确定GPS系统时间系统时间。由于每个GPS的监测站和各个卫星上都有自己的原子钟，且它们

11、与主控站的时间并不同步，存在时间偏移，因此GPS应以主控站的原子钟为基准，测出其他星钟和监测站站钟对于基准钟的钟差，并将这些钟差信息编辑到导航电文中，传送到注入站后再转发至各卫星。(3)负责协调和管理所有地面监测站和注入站系统，并且根据观测到的卫星轨道参数以及卫星姿态参数来管理卫星管理卫星。当发现出现失常卫星时，主控站启用备用卫星取代失效卫星，以保证整个系统的正常工作。注入站主要装有1台C波段天线、1台C波段发射机和1台计算机，其主要任务是将主控站传送来的卫星星历、钟差信息和其他控制指令注入卫星的存储器中，使卫星的广播信号获得更高的精度，以满足用户的需要。监测站装有双频GPS接收机和高精度铯钟

12、。在主控站的直接控制下，监测站自动对卫星进行持续不断的跟踪测量，并将自动采集的伪距观测量、气象数据、时间标准等进行处理，然后存储和传送到主控站。3GPS信号接收机信号接收机 GPS信号接收机的任务是：捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，并解译出GPS所发送的导航电文和实时地计算出监测站的三维位置，甚至计算出三维速度和时间。静态定位时，接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，并高精度地测量GPS信号的传播时间，然后利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在

13、位置的三维坐标。而动态定位则是指用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰、空中的飞机、行走的车辆等)，载体上的GPS相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分，如图4-3所示。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件。观测时，将天线单元安置在监测站上，接收单元置于监测站附近的适当地方，再用电缆将两者连接成一个整机。也有的接收机将天线单元和接收单元制作成一个

14、整体，观测时将其安置在监测站点上。GPS接收机一般用蓄电池作电源，同时采用机内、机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时可进行不中断连续观测。在使用机外电池的过程中，机内电池自动充电；关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。4.1.3 GPS的信号的信号 GPS用户通过接收机设备接收卫星播发的信号，以确定接收机的位置、时间改正数以及解算卫星到接收机之间的距离。GPS卫星所发播的信号包括载波信号(L1和L2)、测距信号(包括C/A码和P码)和导航信号(或称D码)。而所有的这些信号分量，都是在同一个基本频率f0=10.23 MHz的控制下产生的。GPS取L波段的两种不同频率

15、的电磁波为载波，分别为L1载波和L2载波。在L1载波上，调制有C/A码和P码的数据码，频率为f1=1575.42 MHz，波长为1=19.03 cm；载波L2上只调制了P码，频率f2=1227.60 MHz，波长2=24.42 cm。L1载波上的GPS信号为 L2载波上的GPS信号为其中，Ap为P码的信号幅度；Pi(t)为1状态时的P码；Di(t)为1状态时的数据码；Ac为C/A码的信号幅度；Ci(t)为1状态时的C/A码；1、2分别为载波L1和L2的角频率；1、1为载波L1和L2的初始相位。GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素：适应多用户系统要求；满足实时定位要求；满足高精度定位需要

16、；满足军事保密要求。1C/A码码 伪随机序列为一种具有特殊反馈电路的移位寄存器序列，称为最长线性移位寄存器。GPS使用C/A码、P码、Y码三种伪随机码。其中，Y码是对P码加密后的伪随机码，其数据码是保密的。GPS的C/A码属于伪随机噪声码的一种，称作果尔德码，简称Gold码。其序列长度为1023位，频率为1.023 MHz，码周期为1 ms。C/A码是通过两个10位的移位寄存器G1和G2产生的，即由G1的直接输出和G2的延迟输出异或得到。G1和G2都是由1.023 MHz时钟驱动的10级最长线性序列产生的周期等于210-1=1023比特的M序列，描述G1的多项式为G1=1+x3+x10；描述G

17、2的多项式为G2=1+x2+x3+x6+x8+x9+x10，其框图如图4-5所示。2P码码 P码产生的原理与C/A码的相似，但更复杂。GPS发射的P码，是用4个12位移位寄存器的伪随机序列产生的，码率为10.23 Mb/s，长Nu2.351014比特，码元宽tu=1/f0=0.097 752 s，相应的距离为29.3 m，周期为266.41天，约为38个星期。由于P码的周期很长，因此实用时一般被分为38个部分，每一部分周期为7天，其中1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫星。每颗卫星使用P码的不同部分，虽然都具有相同的码长和周期，但结构不同。P码的捕获一般是先捕获C/A码，再

18、根据导航电文信息捕获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，因此若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则相应的距离误差为0.29 m，故P码称为精码精码。3导航电文导航电文 导航电文是卫星向用户播发的一组包含卫星星历、卫星的空间位置、卫星时钟的参数、系统时间以及卫星工作状态等重要数据的二进制码。导航电文是以帧为单位向外发送以帧为单位向外发送的，每一帧数据包含1500 bit，历时30 s播完，即电文的传输速率为50 b/s。每帧又分为5个子帧，第一子帧包含时钟校正参数及电离层模型改正参数；第二、三子帧为卫星星历表；第四子帧为由字母和数字混合编制的电文；第五子帧是全部24颗卫星的日程表

19、的一部分。每个子帧又分为10个字，一个字包含30个二进制码，这样每个子帧都包含300个二进制码，因此导航电文的数据每隔20 ms就会变化一次。最后6个比特是奇偶校验位，称为纠错码，用以检查传送的信号是否出错，并能纠正单个错误。完整的导航信息由25帧数据组成。由于播送速度为50 b/s，所以全部播完要12.5 min。每帧导航电文的格式如图4-6所示。4.2 GPS的定位原理的定位原理 GPS定位的基本几何原理为三球交会原理：如果用户到卫星S1的距离为R1，到卫星S2的距离为R2，到卫星S3的距离为R3，那么用户的真实位置必定处在以S1为球心、以R1为半径的球面C1上，同时也处在以S2为球心、以

20、R2为半径的球面C2上以及以S3为球心、以R3为半径的球面C3上，即处在三球面的交点上。用户接收机与卫星之间的距离可表示为式中，R为卫星与接收机之间的距离；x1、y1、z1表示卫星位置的三维坐标值；x、y、z表示用户(接收机)位置的三维坐标值。其中，R、x1、y1、z1是已知量，x、y、z是未知量。如果接收机能测出距3颗卫星的距离，就可得出3个这样的方程式，联立求解这3个方程式，便能解出接收机的坐标(x，y，z)，从而确定出用户(接收机)的位置。GPS在卫星上和用户接收机中分别设置了两个时钟，通过比对卫星钟和用户钟的时间测量信号传播时间，从而确定用户到卫星的距离。当然，精确的距离测量还需要一些

21、修正，如两个时钟的同步补偿、卫星移动带来的多普勒频移以及信号在大气层传播过程中所引起的大气层延迟(电离层延迟和对流层延迟)等误差问题。这仅是卫星定位的基本原理，实际中会采用一些较为复杂的运算方法。GPS的定位过程的定位过程是这样的：围绕地球运转的卫星连续向地球表面发射经过编码调制的无线电信号，信号中含有卫星信号的准确发射时间以及不同的时间卫星在空间的准确位置。卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号，并测量信号的到达时间和计算卫星和用户之间的距离；然后用最小二乘法或滤波估计法等导航算法就可解算出用户的位置。准确描述卫星位置、测量卫星与用户之间的距离和解算用户的位置是GPS定位导航的关键。4.2.

22、1 GPS坐标坐标系统系统介绍几种常见的卫星定位空间坐标系统。(1)地心惯性坐标系地心惯性坐标系。地心惯性(ECI)坐标系是准惯性坐标系，也是空间稳定力学的基本坐标系，因此牛顿运动定律在惯性坐标系中很适用，卫星的运动方程就是在该坐标系中描述的。地心惯性坐标系的原点和地球质心重合，X轴指向春分点，X轴和Y轴组成地球赤道面，Z轴和地球自转重合，Y轴和X轴与Z轴一起构成右手坐标系。但是，由于地球的形体接近一个赤道隆起的椭球体，因此在日月引力和其他天体引力的作用下，地球在绕太阳运动时的自转轴方向将发生变化，变为绕北黄极缓慢地旋转(从北天极上方观察为顺时针方向)，因而使北天极以同样的方式在天球上绕北黄极

23、旋转，从而使春分点产生缓慢的西移。(2)地心地固坐标系地心地固坐标系。地心地固坐标系又称为ECEF坐标系，是一个固联在地球上的坐标系。它的具体定义为：ECEF坐标系是直角坐标系；原点在地球的质心；X轴指向穿过格林尼治子午线和赤道的交点；XOY平面与地球赤道平面重合；Z轴与地球极轴重合，并指向地球北极，如图所示。由于地球自转且绕太阳公转，因此ECEF坐标系不是惯性系。接收机一般使用ECEF坐标系作为卫星位置定位的参考坐标系。(3)地理坐标系地理坐标系。地理坐标系也称为大地坐标系。众所周知，地球形状和椭球相似，因此赤道所在平面的直径大于两极之间的长度。地理坐标系的定义为：地球椭球的中心为地球的地心

24、，椭球的短轴与地球自转轴重合，经度 为过地面点的椭球子午面与格林威治大地子午平面之间的夹角，纬度 为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地高程为地面点沿椭球法线至椭球面的距离，如图4-8所示。地理坐标系为极坐标系，当它用于显示时，用户可以很直观地判断出自己在地球上的大概位置。(4)地平坐标系地平坐标系。地平坐标系又称为ENU坐标系，其定义定义为：原点位于当地参考椭球的球面上，其位置取决于用户位置，当用户位置为椭球面上的P点时，原点即为P点位置，当P点移动时，相应的地平坐标系也随之移动；过P点作地球的切平面，X轴沿参考椭球切面的正东方向，Y轴沿参考椭球切面的正北方向，Z轴沿椭球切面外法线方向

25、指向天顶。该坐标系对地球表面的用户来说比较直观，它给出了东、北、天三个方向的信息，因而适用于导航领域。对于地球表面运动范围不大的载体来说，其运动区域接近于一个平面。只要获得东、北向载体的位移或速度信息，结合载体的起始位置信息就可以较准确地知道载体的当前位置。地平坐标系示意图如图4-9所示，OXeYeZe是地心地固坐标系，PXLYLZL是地平坐标系。(5)WGS84大地坐标系大地坐标系。WGS84大地坐标系是GPS卫星星历解算和定位坐标的参考坐标系，它是由美国国防部制图局建立而成的。WGS84大地坐标系是现有应用于导航和测量的最好的全球大地坐标系，它理论上是一个以地球质心为原点的地固坐标系，其定

26、义为：原点位于地球质心，Z轴指向BIH系统定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面与CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系，如图4-10所示。(6)CGS2000坐标系坐标系。中国第二代卫星导航系统(BD2)采用的是CGS2000坐标系，它是中国新一代地心坐标系，且满足IERS(国际地球自转服务局)技术草稿21定义协议。地球坐标系的法则如下：坐标系的原点在地心，地心定义为包括海洋和大气的整个地球质量的中心；它的长度单位是米(SI)，这一单位与地心局部框架的TCG(地心坐标时)时间坐标一致；它的初始定向由1984.0时国际时间局(BIH)的定向给定；它的定向

27、时间演化不产生相对于地壳残余的地球性旋转。与此定义相对应，存在一个直角坐标系XYZ，其原点在地球质心；Z轴指向IERS参考极(IRP)方向；X轴为IERS参考子午面(IRM)与原点和同Z轴正交的赤道面的交线；CGS2000的Y轴与X、Z轴构成右手直角坐标系。和WGS84一样，CGS2000也是一个协议地球坐标系。它包括了CGS2000参考椭球、基本常数以及由基本常数导出的一些物理、几何常数，如二阶带谐项系数、椭球半短轴、第一偏心率、参考椭球的正常重力位、赤道上的正常重力等。CGS2000坐标系通过空间大地网(包括GPS连续运行网，GPSA、B级网和GPS一、二级网及区域网)与天文大地网的组合来

28、实现，由空间大地网体现的参考框架的实现精度可达到厘米级。参考框架通过连续的或重复的高精度空间大地测量观测来维持其动态性，CGS2000坐标的参考历元为2000。4.2.2 GPS时间系统时间系统 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。时间包含了“时刻”和“时间间隔”两个概念。时刻时刻是指发生某一现象的瞬间，在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元；时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。时时间间隔间间隔的测量称为相对时间测量，而时刻的测量相应称为绝对时间测量。卫星导航定位中，时间

29、系统的重要意义体现在以下几方面。(1)GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如，若要求GPS卫星的位置误差小于1 cm，则相应的时刻误差应小于2.6 10-6 s。(2)GPS信号传播时，只有精密地测定信号的传播时间才能准确地测定观测站至卫星的距离。若要距离误差小于1 cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11 s。(3)由于地球的自转现象，天球坐标系中地球上的点的位置是不断变化的，因此，若要求赤道上一点的位置误差不超过1 cm，则时间测定误差要小于210-5 s。显然，若要利用GPS进行精密导航和定位，则尽可能获得高精度的时间信息

30、是至关重要的。时间系统的规定必须建立一个测量的基准，即时间的单位(尺度)和原点(起始历元)。GPS卫星系统中，连续和恒定的周期运动都可作为其中时间的尺度，而原点可根据实际应用加以选定。在实践中，因所选择的周期运动现象不同，便产生了不同的时间系统。现在先介绍GPS定位中，具有重要意义的几类时间系统。1世界时系统世界时系统 地球的自转运动是连续的，且比较均匀。最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统。由于观察地球自转运动时所选取的空间参考点不同，世界时系统又分为恒星时、平太阳时和世界时。(1)恒星时恒星时。以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过

31、本地子午圈的时间间隔为一恒星日，由于恒星日的长短不是恒定的，就有了平均恒星日。因为恒星时是以地球自转为基础的，且是与地球自转的角度相对应的时间系统，所以一个平均恒星日的长度大概是23小时56分钟4秒。恒星时以春分点通过本地子午圈的时刻为起算原点，在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。同一瞬间不同测站的恒星时不同，因而恒星时具有地方性，也称地方恒星时。(2)平太阳时平太阳时。由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开普勒定律可知太阳的视运动速度是不均匀的，即真太阳日为地球相对太阳自转一周的时间，因此，若以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，则不符合建立时间系统的基本要求。于是，假设一个参考点

32、的视运动速度是平均的，它等于真太阳周年运动的平均速度，这个假设的参考点在天文学中称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时。平太阳时也具有地方性，常称为地方平太阳时。2原子时原子时 由于科学技术对测量精度的要求导致世界时已不能满足尺度的要求，因此建立了原子时。这是因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率具有很高的稳定度，能够满足卫星导航对精度的要求。原子时原子时秒长的定义秒长的定义为：位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为一原子时秒。原子时秒为国际制秒(SI)的时间单位，它约等于平太

33、阳日长平均值的1/86 400。原子时的原点AT=UT2-0.0039 s，UT2为1958年1月1日0时。不同地方的原子时之间存在差异，因此建立了国际原子时，它是通过大约100座原子钟相互比对、经数据处理推算出的统一原子时系统。因此原子时是现今不容易受到外部干扰、精度最高的时间系统不容易受到外部干扰、精度最高的时间系统。在卫星测量中，原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号的传播时间。3力学时力学时 力学时主要用来描述天体在坐标系和引力场作用下的运动。在导航计算中，卫星的星历是以力学时为时间参数，根据天体动力学理论建立的运动方程来编算的。根据描述运动方程所对应的参考点不同，力学时

34、分为太阳系质心力学时和地球质心力学时。(1)太阳系质心力学时太阳系质心力学时简称TDB，是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数，在系统中考虑了相对论效应。(2)地球质心力学时地球质心力学时简称TDT，是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数，它的前身是历书时(用来描述近地天体历书的时间尺度)。TDT的基本单位是国际制秒(SI)，与原子时的尺度一致。在GPS导航系统中，TDT作为一种独立的变量和均匀的时间尺度，被用于描述卫星的运动。国际天文学联合会(IAU)决定，1977年1月1日原子时(IAT)零时与地球质心力学时的严格关系为：TDT=IAT+32.184 s。若以T表示地球质心力学时

35、TDT与世界时UT1之间的时差，则可得T=TDT-UT1=IAT-UT1+32.184 s4协调世界时协调世界时 世界时是以地球自转为基础的，因此在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位时，都要以世界时作为时间尺度。同时，由于地球自转速度是变化的，近20年里它的速度不断变慢，因此世界时每年比原子时慢约1 s，并且随着时间的增长，差距也将不断增大。为避免产生过大偏差，从1972年开始采用了一种以原子时秒长为基础、在时刻上尽量接近于世界时的折中时间系统，称为协调世界时或协调时。可采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。即当协调时与世界时的时刻差超过0.9s时，便在协调时中引入

36、1润秒(正或负)。一般在12月31日或6月30日末加入，具体日期由国际地球自转服务组织(IERS)安排并通告。协调协调时与国际原子时的关系定义时与国际原子时的关系定义为IAT=UTC+1 s n其中，n为调整参数，由IERS发布。5GPS时间系统时间系统 为满足精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差，约为IAT-GPST=19 s。规定GPS时与协调时的时刻在1980年1月6日0时一致。这样，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍。GP

37、S时与协调时之间关系为GPST=UTC+1 sn-19 s。到1987年，调整参数n为23，两系统之差为4s；到1992年调整参数为26，两系统之差已达7 s。时间系统及其关系如图4-12所示。4.2.3 测量误差测量误差 GPS系统定位过程中包含各种误差，按照来源不同可以分为三种，分别是与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差和与接收设备有关的误差。与卫星有关的误差包括卫星时钟误差和卫星星历误差，这是由于GPS监控部分不能对卫星的时钟频漂做出测量和预测引起的；与信号传播有关的误差是由GPS信号在大气层传播时的大气延迟引起的，延迟误差主要包括电离层误差和对流层误差；与接收设备有关的误差是由于接收

38、机地点可能受到地理环境的影响而产生多路径误差和电磁干扰引起的，这种误差，同时也包括接收机内部的噪声误差和时钟误差。1卫星时钟误差卫星时钟误差 GPS观测量均以精密测时为依据，而GPS定位中，都要求卫星钟和接收机钟都与GPS时保持严格同步。尽管GPS卫星上设有高精度的原子钟。但实际上，仍不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在1ms内，引起的等效距离误差可达300 km。卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续监测精确地确定，并用二阶多项式表示为(4-4)式中，a0为卫星钟在t0时的钟差；a1为卫星钟钟速；a2为钟速变化率。这些参数由主控站测定，然后通过卫星的导航电文提供给用户。经钟差模型改正后

39、，各卫星钟之间的同步差可保持在20ns以内，引起的等效距离偏差不超过6 m。卫星钟经过改正的残差，在相对定位中可通过观测量求差(差分)方法消除。2卫星星历误差卫星星历误差 卫星星历误差又称做卫星轨道误差，它是由于卫星在运动中受多种不清楚的摄动力的复杂影响而引起的。卫星星历给出的卫星轨道和实际的卫星轨道有差别，这种差别便是卫星星历误差。同时，由于通过地面监测站难以可靠地测定这些摄动力并掌握其作用规律，因此卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息的相应位置误差约为20m40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善，卫星的位置精度将可提高到5m10m。卫星的轨道误差是当

40、前GPS定位的重要误差来源之一。在GPS定位中，由于卫星轨道的偏差主要是由各种不同的摄动力综合作用产生的，且摄动力对卫星各个轨道参数的影响不相同，因此在对卫星轨道摄动力进行修正时，所要求的各摄动力模型精度也不一样。在用轨道改进法进行数据处理时，根据引入轨道偏差改正数的不同可将改进方法分为短弧法短弧法和半短弧法半短弧法。短短弧法弧法：引入全部轨道参数的偏差改正作为待估参数，然后在数据处理中与其他待估参数一并求解。这样可明显减弱轨道偏差影响，但计算工作量大。半短弧法半短弧法：根据摄动力对轨道参数的不同影响，只对其中影响较大的参数引入相应的改正数作为待估参数。据分析，目前该法修正的轨道偏差不超过10

41、 m，而且计算量明显减小。也可利用两个或多个观测站上对同一卫星的同步观测值求差，这样可减弱轨道误差影响。当基线较短时，此方法的有效性尤其明显，且对精密相对定位也有极其重要意义。3电离层延迟误差电离层延迟误差 电离层是离地面高度大约为501000km之间的大气层。由于受到太阳的强烈辐射，电离层中的大部分气体被电离，从而在电离层中存在大量的自由电子和质子，使进入电离层的卫星信号的传播速度和方向发生变化，这种现象便是折射。折射公式为式中，Ne为电子密度；et为电荷量，值为1.610-19；me为电子质量，值为9.1110-31 kg；0为真空介电常数，值为8.854187817F/m；f为电磁波的频

42、率。电离层折射对载波测距的影响是随着观测时间和卫星位置的不同而变化的。若在夜间卫星处于天顶方向时，电离层折射的影响最小，为13m；若在正午前后卫星接近地平线时，电离层折射的影响最大，可达150 m。对差分过程来说，当基线长度小于20 km时，可设信号经过的电离层介质的情况类似，其残差一般不超过10-6，可忽略不计。4对流层延迟误差对流层延迟误差 对流层是从地面向上大约40 km范围内的大气层，该气层中的气体有很强的对流作用，并且含有水滴、冰晶、灰尘等许多杂质，它们对电磁波的传播有着很大的影响。对流层中的大气与电离层中的不同，是中性的。当频率低于15 GHz的电磁波在对流层中传播时，其传播速度不

43、受频率的影响。但对流层中的折射率是随着高度的增加而降低的。当在对流层顶部时，折射率趋近于1。由于对流层的影响，当卫星在天顶方向的时候，其对流层延迟可达2.3 m；当卫星高度角在10时，其延迟可达20 m。对流层折射可分为干分量Nd和湿分量Nw两大部分。它们对传播路径的影响可表示为式中，为干分量对传播路径的影响；为湿分量对传播路径的影响。于是对流层对传播路径的影响为。在正常的大气条件下，天顶方向上的干分量对传播路径的影响 约为2.3 m，占折射误差总量的90%。湿分量的影响较小。当基线向量较短时，可根据基线两端的相关性对对流层的影响进行差分消除，也可以对对流层采用Hopfield模型、Saast

44、amoinen模型和Marini映射函数模型进行修正，通常情况下均能取得较好的效果。5多路径误差多路径误差 接收机接收的卫星信号，除了直接接收到的卫星信号外，还有可能接收到经周边物体反射的信号，这些信号可能经过一次反射也可能经过多次反射，它们将会使载波观测量产生误差，这种现象称为多路径效应。它不仅影响观测值精度，而且严重时将会使信号失锁，是短基线测量的主要误差。在载波相位测量的过程中，多路径误差大小与反射系数有着直接的关系。当发生全反射时，L1载波的最大路径误差为4.8cm；但当多个反射信号同时被接收机接收时，多路径误差可达10 m以上。多路径误差与反射物距观测站距离和反射系数有关，将其模型化

45、很难，即使利用差分也不能减少其影响。通常减少它的措施为：(1)选择好的接收环境，尽量避开反射系数大的物体；(2)选择屏蔽性好的天线；(3)增加观测时间，减弱多路径误差的周期性影响。6接收机钟差接收机钟差 GPS接收机一般设有高精度的石英钟，日频率稳定度约为1011。定位中接收机钟和卫星钟不能同步的情况下，如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1 s，那么引起的等效距离误差为300 m。处理接收机钟差的方法如下：(1)作为未知数，在数据处理中求解；(2)利用观测值求差方法，减弱接收机钟差影响；(3)定位精度要求较高时，可采用外接频标，如铷、铯原子钟来提高接收机时间标准精度。7天线相位中心位置偏差天线

46、相位中心位置偏差 GPS定位中，观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准的。在理论上，天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。实际上，随着信号输入的强度和方向的不同，天线的相位中心与其几何中心会产生偏差，该偏差称为天线相位中心偏差，其值可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏移，是天线设计的一个迫切需要解决的问题。4.3 GPS信号接收机信号接收机4.3.1 GPS接收机的基本概念接收机的基本概念 GPS接收机主要由天线单元天线单元和接收单元接收单元两部分组成，天线单元由前置放大器和接收天线两个部分组成；接收单元主要由信号波道、微处理机、存储器和电源组成，如图4-14所示。其中接收机天线是核心

47、部分，习惯上统称为GPS接收机，它是GPS卫星导航定位的仪器，主要功能是接收GPS卫星发射的信号并进行处理，获取导航电文和必要的观测量，实现对导航定位信号的接收、测量和跟踪。4.3.2 接收机分类接收机分类 (1)按工作原理可划分为码相关型接收机、平方型接收机和混合型接收机。码码相关型接收机相关型接收机：由接收机产生与所测卫星测距码结构完全相同的复制码。通过移相器使复制码和接收码最大相关，然后得到用户接收机和卫星之间的信号传播时间。测距码利用的是C/A码或P码，码相关型接收机最主要的技术条件就是掌握测距码结构，因此码相关接收机也被称为有码接收机。平方平方型接收机型接收机：主要是利用载波信号的平

48、方技术去掉调制码，以获得载波相位测量所必需的载波信号。通过接收机产生的载波信号和接收到的载波信号之间的相位差来测定伪距观测值。平方型接收机只利用卫星信号，无需解码，不必掌握测距码结构，所以也被称为无码接收机。混合型混合型接收机接收机：综合利用了码相关技术和平方技术的优点，可同时获得码相位和精密载波相位观测量。目前已被广泛使用，大部分的测量型接收机都是这种类型的。(2)根据接收机信号通道类型可划分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机。多多通道接收机通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个通道只连续跟踪一个卫星信号，同时可得到卫星广播星历。它也被称为连续跟踪型接收机。序序贯通道接收机贯

49、通道接收机：只有12个信号通道，为了跟踪多个卫星，在软件控制下，按照时间次序依次可实现对不同卫星信号进行跟踪和量测。量测一个循环所需时间较长(大于20ms)，由于控制软件较为复杂，难以保持载波信号的跟踪，因此对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用多路复用通道接收机通道接收机：与序贯通道接收机相似，也只有12个信号通道，同样是采用软件控制，按一定时序对卫星进行量测，但依次量测一个循环所需时间较短，一般小于20 ms，可保持对卫星信号的连续跟踪。(3)根据所接收的卫星信号频率可划分为单频接收机和双频接收机。单单频接收机频接收机：顾名思义只能接收一种信号。通过接收调制L1信号，测定载波相位观测值，利用

50、差分技术进行定位。在定位过程中，不能消除电离层的延迟影响，但可利用导航电文提供的参数建立模型，对观测量进行电离层影响修正。由于修正模型不太准确，导致精度不高，因此主要用于小于15 km的短基线精密定位。双双频接收机频接收机：与单频接收机相比可同时接受L1、L2两种载波信号，利用双频技术，可消除或减弱电离层折射电磁波信号延迟的影响，因此定位精度相比单频接收机会高很多。可用于基线距离为几千千米以上的精密定位。(4)按接收机用途可划分为导航型接收机、测量型接收机和授时型接收机。导航导航型接收机型接收机：主要用于动态用户的导航与定位，可给出用户的实时位置和速度。主要用于船舶、车辆、飞机等运动载体的实时